新建隧道上跨既有隧道施工安全影响分析

李金鹏

（中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600）

21世纪以来，我国铁路建设事业蓬勃发展，尤其是在十三五规划中，越来越多的新建铁路工程已经投入使用或者将要投入建设，但是在修建过程中，可能由于受地形地质条件等多方面的因素限制，新建隧道不可避免地与已经运营的既有隧道在空间上发生交叉，这样的交叉极有可能会导致既有隧道结构破坏、影响其运营安全[1]，同时也妨碍了新建隧道的安全施工，因此需要进行上跨既有隧道安全研究。 本文用数值软件 MIDAS，对新建隧道的施工进行了静力与动力爆破的模拟，对空间交叉的既有隧道进行位移、内力、振速等方面的安全评估。[2]

1 工程概况

1.1 新建铁路隧道概况

曼迈一号隧道位于勐腊～大龙哈区间，为时速 160km/h单线隧道。隧道全长 3605m，最大埋深 291m，洞内线路坡度为单面上坡，线路坡度为 10.8‰。洞内铺设有砟轨道，有砟轨道内轨顶面至道床底面高度为766mm。

隧道出口紧邻勐腊南大窝河大桥，且下方为213国道和昆磨高速公路。

1.2 既有公路隧道概况

七道班隧道属于昆明-磨憨高速公路，是银川-昆明高速公路（G85）的联络线之一。昆磨高速规划里程692km，通车里程461km。自昆明经元江、思茅至磨憨口岸，全线均位于云南境内，已于2008年全线通车。

1.3 新建铁路隧道与既有公路隧道相对位置关系

曼迈一号隧道D1K483+070～D1K483+145段隧道洞身上跨昆磨高速公路七道班隧道，线路中线夹角为 32°51′25″，本隧隧底与公路隧顶净距16.85m。

2 静力数值计算方案

2.1 有限元模型的建立

根据新建铁路隧道施工图以及既有公路隧道相关资料，新建铁路隧道与既有公路隧道位置关系呈现一定的空间斜交关系，现利用MIDAS GTS-NX软件建立三维有限元数值模型。在三维建模中，以新建铁路隧道纵向为y轴，从小里程指向大里程为正；z轴垂直于岩层，往上为正；x轴与y轴和z轴满足右手法则。

新建隧道外径约为8.38m，由于隧道的影响范围一般为3～5倍洞径，横向共选取100m；纵向从新建隧道里程D1K483+045到D1K483+145，共100m；下限取既有隧道底板以下50m，上限至山体表面，由于为浅埋隧道，山体表面地形对隧道有影响，因此，本模型考虑地表起伏。

2.2 基本参数的选取

2.3 施工步骤及分析工况

施工步骤具体分两步进行：

1新建铁路隧道超前锚杆、暗洞开挖以及暗洞衬砌施做；

2新建隧道明挖段开挖、边仰坡以及明洞结构的施做。

2.3 数值计算结果分析

工况1：新建铁路隧道施工阶段对既有公路隧道的影响

（一）D1K483+070～D1K483+130暗洞开挖以及暗洞衬砌施做对既有公路隧道的影响；

（1）位移分析

图1 既有公路隧道衬砌变形云图

图中的正位移表示上抬，负位移表示沉降，由图可以看到，最大上抬位移发生在新建隧道与既有隧道相交断面处，端部有轻微的沉降值。在拱顶处，最大上抬位移为2.75mm，不超过5mm的衬砌上浮控制标准。

（2）隧道结构安全系数检算

在新建铁路隧道开挖作用下，既有公路隧道衬砌的内力结果如所示。

图2既有公路隧道衬砌结构内力分布图

根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018），混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度的计算公式为：

从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度的计算公式为：

式中，Ra—混凝土极限抗压强度；Rl—混凝土极限抗拉强度；K—安全系数；N——轴向力（MN）；b—截面的宽度（m）；h—截面的厚度（m）；α—轴向力的偏心影响系数，e0—截面偏心距（m）。

分别取新建铁路隧道与既有公路隧道交叉断面处，既有隧道衬砌拱顶、左右拱脚以及仰拱处的内力进行安全系数检算，如所示。

表1 与新建隧道交叉断面衬砌结构受力及安全系数检算表

根据检算结果，可以看出七道班隧道各控制点处均为抗压，且安全系数均大于规范要求的 1.7，这说明了新建曼迈一号隧道的修建对既有七道班公路隧道的影响较小，基本未改变了既有衬砌结构的承载能力，不会影响既有隧道衬砌的安全。

（二）D1K483+130～D1K483+145明挖段开挖、边仰坡以及明洞结构的施做对既有公路隧道的影响

（1）位移分析

图3 既有公路隧道衬砌变形云图

图中的正位移表示上抬，负位移表示沉降，本次模型试验采取位移累加的方式，由图可以看到，最大上抬位移发生在新建隧道与既有隧道相交断面处，端部有轻微的沉降值。在拱顶处，最大上抬位移为由暗洞开挖及支护后的2.75mm增加到3.05mm，不超过5mm的衬砌上浮控制标准。

（2）隧道结构安全系数检算

表2 与新建隧道交叉断面衬砌结构受力及安全系数检算表

在新建铁路隧道开挖作用下，既有公路隧道衬砌的内力结果所示。分别取新建铁路隧道与既有公路隧道交叉断面处，既有隧道衬砌拱顶、左右拱脚以及仰拱处的内力进行安全系数检算，检算结果显示，既有隧道各特征点处满足强度承载能力，且安全系数均满足规范要求，这说明了新建铁路隧道明洞及边仰坡的开挖对既有公路隧道的影响较小，基本未改变了既有结构的承载能力，不会影响既有隧道衬砌的安全。

2、工况2：新建铁路运营阶段对既有公路隧道的影响

（1）位移分析

运营阶段采取的是施工阶段完成后进行位移清零的模型，在运营阶段，既有七道班公路隧道将会产生附加的沉降变形，变形在拱顶处达到最大值0.295mm，往下逐步减小。从总体上看，七道班隧道沉降量很小，最大沉降量不超过10mm变形控制标准。因此，新建曼迈一号铁路隧道运营阶段的列车荷载不会对既有七道班公路隧道衬砌安全造成影响。

3 爆破数值计算方案

3.1 模态分析

采用MIDAS GTS-NX特征值分析功能进行模态分析，利用子空间迭代法求出结构的固有频率以及周期。

表3 计算模型振型

3.2 计算工况

由于计算新建铁路隧道爆破点位于交叉点正上方时，对既有隧道影响最大，因此，选取此工况。

3.3 爆破计算结果及分析

当新建铁路隧道在交叉点上方爆破时，位于交叉点处的公路隧道受影响最大。根据时程分析结果，可以得出该断面拱顶、左右拱腰、左右拱底以及仰拱处的质点振速时程曲线。

图 4 拱顶质点速度时程曲线

当新建铁路隧道在既有公路隧道正上方爆破时，既有隧道在交叉断面处主要受到垂直振速的影响，振速均相对较小，在影响程度方面，既有隧道拱顶与右拱腰受到的影响最大，其振速达到1.67cm/s与1.92m/s，随着应力波往下传递，振速开始衰减，均未超过4cm/s的容许值。

4 结论

1、新建铁路隧道的开挖使得既有公路隧道发生一定程度的上抬现象。在拱顶处，最大上抬位移为3.05mm，不超过5mm的衬砌上抬控制标准，因此，新建铁路隧道的开挖基本不会对既有公路的正常运营造成影响。

2、新建铁路隧道运营后，在车辆荷载的作用下，既有公路隧道出现轻微的附加沉降，最大值约为0.327mm，远远小于10mm的沉降控制标准，不会对既有公路隧道的正常运营造成影响。

3、新建曼迈一号铁路隧道修建及运营对既有七道班公路隧道衬砌结构承载能力的影响比较小，基本未改变既有结构的承载能力，安全系数满足要求。

4、爆破分析显示，在控制最大装药量的情况下，既有公路隧道最大振速为1.92cm/s，未超过4cm/s的容许值，因此不会危及行车安全。